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[期刊] 北京林业大学学报
[作者]
梁慧云 樊国秋 赵燕东 梁浩
【目的】为实现树木根系相对介电常数的定量估算，提出一种基于雷达波信号和树木根系参数的估算方法。【方法】首先，仿真模拟雷达波在不同半径、不同相对介电常数的树木根系下的传播路径，并通过正演分析获得探地雷达图像中双曲线顶点处的A-scan曲线；然后，提取A-scan曲线中与根系相对介电常数关联的目标振幅参数ΔF；最后，结合土壤相对介电常数、根系半径、根系深度，建立相对介电常数估算的数据集。分别基于偏最小二乘回归（PLSR）模型、反向传播（BP）神经网络模型和粒子群优化反向传播（PSO-BP）神经网络建立了估算模型，并对比分析了这3种模型的估算精度。【结果】（1）在仿真实验中，PSO-BP神经网络估算模型的均方根误差、平均绝对误差分别为0.701、0.255,R2为0.990，各指标均优于PLSR和BP神经网络估算模型。（2）在实地预埋实验中，PSO-BP神经网络估算模型的估算精度均优于PLSR和BP神经网络估算模型，其最大绝对误差和整体平均相对误差分别为3.16和10.88%。【结论】利用本研究提取的目标振幅参数ΔF、土壤相对介电常数、根系半径和根系深度建立的数据集，结合PSO-BP神经网络估算模型，能够实现对树木根系相对介电常数的准确估算。这对于评估树木根系的生长和健康状况具有重要意义。
[期刊] 北京林业大学学报
[作者]
李爽 张潇巍 谭旭 徐凌飞 吕生华 文剑
【目的】使用深度学习方法实现对根系雷达图像的多目标检测和多参数估计。【方法】构建了一种以YOLOv5s和CNN-LSTM为主要框架的网络模型实现对根系雷达扫描图像的多目标检测和多参数估计。首先，通过仿真模拟和预埋试验获取试验所需的根系雷达剖面图数据，同时为了增加数据的多样性，使用CycleGAN风格迁移网络获取了一批具有真实雷达图像特征的仿真数据；然后，使用YOLOv5s目标检测网络识别并提取根系响应区域；接着引入频域变换，获取频域特征，并将根系雷达图像的时域特征和频域特征融合；最后，利用卷积神经网络、卷积注意力机制以及长短期记忆网络强调和提取与根系参数相关的信息特征，并使用多任务学习的方法实现对根系半径、深度、相对介电常数以及水平倾角的预测。【结果】（1）仿真试验中，根系半径估计的最大误差是4.3 mm,R2为0.980，均方根误差为1.32，深度估计的最大误差是35.1 mm,R~2为0.962，均方根误差为17.68，相对介电常数估计的最大误差是3.1,R~2为0.960，均方根误差为1.10，水平倾角估计的最大误差是10.2°，R~2为0.821，均方根误差是4.96。（2）在实测数据上对根系半径估计的平均相对误差是9.112%，深度估计的平均相对误差是5.772%，水平倾角估计的平均相对误差是11.25%。【结论】本文提出的基于深度学习与探地雷达的多目标检测方法可以为根系检测和根系参数估计提供便利。
[期刊] 中南林业科技大学学报
[作者]
李怡娜 徐国祺 王立海 阚相成 谢军明
【目的】目前，探地雷达常被应用于活立木缺陷、健康水平以及根系分布等的检测，检测系统中通常默认介电常数为固定值，但经初步研究发现，活立木的介电常数受环境及自身性质等的影响并不是一成不变的，在检测中使用默认的介电常数值会降低检测的准确性。因此，探究在不同应用条件下的活立木木材介电常数变化，建立各因素与介电常数值相关模型可为后续探地雷达检测活立木的应用中提供高精度的参考依据。【方法】本研究选用从黑龙江省星火林场采集的红松、樟子松、大青杨和水曲柳原木试件，根据探地雷达的应用条件，采用Agilent 4294A型介质频谱测试仪测量试件在不同含水率(范围为10%～100%)、不同温度(范围为-15～20℃)、不同外电场频率(范围为40 Hz～110 MHz)下的介电常数。分析不同应用条件下木材介电常数的变化趋势，并基于SPSS软件进行相关性分析，建立介电常数和各因素间的回归模型。【结果】木材含水率、外电场频率和环境温度对4种木材介电常数的影响规律相似。1)随着木材含水率的增加，介电常数呈现出增大的趋势。当含水率低于纤维饱和点时，介电常数缓慢增加；含水率高于纤维饱和点时，介电常数增加的速率变快。2)随着环境温度的增加，木材的介电常数整体呈现出增大的趋势。当含水率高于纤维饱和点时，介电常数值在0℃处出现突变。3)介电常数与外电场频率呈负相关关系，且随着频率的增大介电常数的下降趋势逐渐趋于平缓。4)在此温度区间内，介电常数与频率和含水率呈较为显著的相关性。通过回归分析，建立了介电常数的回归方程。【结论】实验结果表明环境温度、木材含水率和外电场频率均会对木材的介电常数造成影响。介电常数与含水率、环境温度呈正相关，与外电场频率呈负相关关系。含水率和外电场频率对木材的介电常数影响较大，环境温度次之。在实际应用中，可通过建立的回归方程来修正活立木的介电常数以提高探地雷达的检测精度，为活立木的精确腐朽检测提供依据。
[期刊] 林业科学
[作者]
肖夏阳 文剑 肖中亮 李伟林 张厚江
【目的】采用探地雷达对木质体内部缺陷进行断层扫描探测,研究基于雷达波的树木内部层面反射特征识别算法,为雷达波无损测试技术在树木内部结构和缺陷的解析、定位及分布表征提供理论依据。【方法】采用900 MHz介质耦合树木雷达对柳木试件进行断层扫描,研究实现阈值法、匹配滤波器法和希尔伯特积算法获取缺陷层面的反射位置,基于层剥反演法对树木内部不同介质进行介电常数反演,求得层位的相对深度,结合三维激光扫描仪获取的树木外形轮廓点云数据,根据轮廓追踪法将雷达波B扫描图像与断层轮廓绝对位置进行映射,实现对树木内部缺陷的准确定位和表征。对3种算法分别使用FDTD正演方法进行对比验证,并应用于颐和园古柳木试件试验测试中。【结果】正演对比测试结果表明,希尔伯特积算法相较于阈值法和匹配滤波器法,对木质体内部缺陷识别效果更好。柳木试验测试结果显示,树木内部缺陷深度误差为10%,结合三维激光和外轮廓扫描技术求得的缺陷部分面积误差在5%左右。【结论】本研究提出的算法可以实现雷达波扫描图像对树木内部缺陷的准确定位和分布成像。
[期刊] 草业科学
[作者]
张午朝 马育军 李小雁 王雷
高原鼢鼠(Eospalax baileyi)是青藏高原特有的小型穴居动物之一,量化高原鼢鼠的洞道结构可以为深入研究其扰动对生态环境的影响奠定基础,而探地雷达方法可以无损、高效地获取地下洞道的结构特征。本研究借助探地雷达方法获得了高原鼢鼠洞道的深度、直径和走向,并与传统挖掘方法进行了对比,结果显示,探地雷达所得洞道位置与开挖样方所得洞道位置相符,两种方法得到的洞道直径和深度没有显著差别(P> 0.05),表明探地雷达方法可以得到较为准确的结果。高原鼢鼠洞道的深度介于1.6～19.8 cm,平均值为11.9 cm;直径介于2.1～14.4 cm,平均为9.1 cm;地下洞道略有起伏,但整体处于同一水平面内,地下洞道所处位置与地表鼠丘分布具有良好的对应关系,新鼠丘下方洞道较连续,旧鼠丘下方洞道较破碎。本研究通过探地雷达成功获取了高原鼢鼠洞道的结构特征,可以在此基础上进一步研究其扰动对土壤性质和植被特征的影响机制,全面评估高原鼢鼠在整个生态系统中的作用。
关键词：
洞道深度 直径 走向 探地雷达 高原鼢鼠
[期刊] 实验技术与管理
[作者]
张茂林 李智敏 施建章 黄云霞 闫养希 孙鹏
采用频率谐振实验和第一性原理计算方法分别测试和计算了钛酸钡相对介电常数随频率的变化关系。谐振法测试结果表明,在100Hz10kHz频率范围内,钛酸钡相对介电常数随频率从1 250下降到150。第一性原理计算结果显示,光频下该材料相对介电常数数值较小且存在色散现象。两种方式对比研究有助于学生深入理解电介质相关极化理论。
[期刊] 北京林业大学学报
[作者]
纪文文 王立海 时小龙 许明贤 郝泉龄 张广晖 孟庆凯 侯胜铭
【目的】探究小兴安岭典型树种粗根分布规律及其影响因素,为小兴安岭树木良好生长提供科学依据和数据支撑。【方法】以红松、落叶松、红皮云杉、樟子松为研究对象,在凉水实验林场选取了8个样地进行试验。以样木为圆心,采用树木雷达扫描以0.5、1、1.5、2 m为半径的圆周上的根系,采用环刀法和取土样法测定土壤理化性质,并测量树高、胸径、冠幅等树木因子,分析小兴安岭树木粗根分布状况,并对粗根密度与树木因子及土壤因子指标进行相关性分析。【结果】(1)小兴安岭4个典型树种在水平方向粗根密度随着与树干距离的增加而减少;在垂直方向上,随着土壤深度的增加,红松和落叶松粗根密度逐渐减少,红皮云杉和樟子松粗根密度先增加后减少。红松、落叶松、红皮云杉、樟子松分别有82.1%、82.0%、89.6%、67.6%的粗根分布在0～40 cm土层深度。(2)树木粗根密度与树高、胸径、冠幅呈显著正相关关系(P 0.05)。(3)树木粗根密度与土壤含水量、饱和持水量、毛管持水量呈显著正相关关系(P
关键词：
树木雷达 粗根分布 土壤理化性质
[期刊] 自然资源学报
[作者]
王前锋 周可法 孙莉 秦艳芳 李广宇
试验点选择在古尔班通古特沙漠南缘中国科学院阜康荒漠生态系统研究站,以探地雷达为主要数据采集工具。结合探地雷达两种测量方式特点,提出了探地雷达最佳天线间距判定方法,达到快速测定中尺度土壤水分含量的目的。研究结果表明:固定天线间距测量下,得到最佳天线间距为1.9 m,提取了该天线间距下的地面波,进行了土壤含水量计算,测线上30.5 m点测定的土壤含水量与标后的时域反射仪法结果对比,在该试验点探地雷达地面波法测定上层土壤含水量的有效深度为20 cm,其偏差仅为0.015 m3/m3,精度能够满足实际需求,测线0～36.5 m间沙地上层土壤含水量表现出空间异质性,该方法能快速精确测定中尺度土壤含水量,...
[期刊] 北京林业大学学报
[作者]
邱啟璜 牛健植 王迪 吴昊阳 杨涛 杨书鉴
【目的】通过1 500 MHz探地雷达（GPR）对辽东老秃顶子国家自然保护区典型阔叶林蒙古栎地下粗根和石砾进行探测研究，对林木成林及其发挥水土保持功能提供理论参考。【方法】在试验样地内基于探地雷达探测技术，控制试验分析GPR反射波参数与根径和石砾直径的相关关系，建立有效的估算模型，识别林地粗根和石砾，确定其分布规律。【结果】（1）在控制试验条件下土壤粗根和石砾能有效识别，根径> 1 cm的粗根在雷达剖面能形成明显的双曲线波形，石砾为“黑-白-黑”的波形。（2）GPR反射波参数中总时间间隔与根径相关性最显著（P 3 cm的粗根主要分布在20～40 cm土层。在有效识别的基础上，各根径根系在分布密度最大值的土层识别精度可达50%以上；GPR对石砾数量识别精度在20～30 cm土层达到最大值26.9%，在30～40 cm土层识别精度最小仅为8%。【结论】探地雷达在特定条件下能有效识别根系，且总时间间隔参数对粗根根径估计效果较好，对于石砾识别效果较根系差。
[期刊] 长江流域资源与环境
[作者]
陈良华
利用完全覆盖三峡流域的3部多普勒天气雷达探测资料,并结合三峡流域周边水文自动站实时观测资料,集成多种定量降水估算方法,对三峡流域进行面雨量估算。结果表明:这种方法在一定程度上弥补了传统利用自动站观测资料采用插值方法计算流域面雨量中由于自动站观测资料时空分辨率不足的缺点,提高了流域面雨量的估算精度,从而更好的为三峡水资源利用和洪峰预报提供重要参考。
关键词：
水文学 面雨量估算 降水估测 网格化
[期刊] 中南林业科技大学学报
[作者]
旷建军 谢振华 彭珍宝 旷柏根 王水平 刘玲
为认识森林的自然资源价值,探讨资源价值的评估方法,采用当代先进的生态服务价值评估法和能值评估法,对比分析研究了湖南省南岳树木园的货币价值和能值—货币价值,结果表明:(1)湖南省区域环境经济系统2006年的能值/货币比率为1.917 0×1012sej/$;(2)南岳树木园的森林财富价值达1 491.31×104元/(hm2.a)货币值和530.82×104元/(hm2.a)能值货币值;(3)生态效益价值比例占83.290%(生态服务价值)和98.756%(能值—货币值);(4)调节小气候以改善人居、旅游环境和维护生物多样性是南岳树木园森林的主导功能。2种评估方法都能体现森林所具有的自然资源价值...
[期刊] 草业科学
[作者]
秦炎 秦彧 宜树华
高原鼠兔(Ochotona curzoniae)是栖息在青藏高原的一种植食性小型哺乳动物,其挖掘行为对高寒草地植被、生物多样性和物质循环等具有重要影响。已有研究大多是对高原鼠兔洞道的定性认识,缺少定量分析的研究。因此,本研究使用探地雷达对高原鼠兔洞道进行探测并通过实地解剖验证,旨在调查高原鼠兔的洞道结构,并分析探地雷达在高原鼠兔洞道探测的适用性。结果表明,1)不同样地类型高原鼠兔洞道结构差异较大,退化沼泽高原鼠兔洞道最为复杂;高寒草原高原鼠兔洞道仅有85cm,而高寒草甸高原鼠兔洞道最长可达560cm;2)不同样地类型探地雷达探测高原鼠兔洞道产生的波动数不同,退化高寒草甸、高寒草甸、退化沼泽和高寒草原平均波动数量分别为3.1、2.8、1.9和1.7个;3)探地雷达测量的高原鼠兔洞道波动数量与实际测量高原鼠兔洞口数量(R2=0.54,P<0.001)具有极显著的相关性。本研究发现,高寒草地高原鼠兔洞道结构复杂且不同样地类型差异较大;探地雷达在高原鼠兔洞道的探测方面具有一定的适用性和可行性,且该方法无损快速,可用于大范围高寒草地高原鼠兔洞道结构的调查研究。
[期刊] 林业科学
[作者]
刘鲁霞 庞勇 李增元
【目的】以云南省普洱市天然林与杉木人工林为研究对象，针对云南省山区森林树种繁多、林下灌木草本茂密的林分环境，根据森林中树木的形态特征，利用地基激光雷达（ＴＬＳ）扫描数据提取样地尺度单木胸径与树高，为森林调查工作提供参考。【方法】将获取的多站地基激光雷达扫描数据分为多站拼接及单站２种分析方式，采用ＨｏｕｇＨ变换算法及树干的形态特征对样地内单木进行识别与胸径提取，根据树干生长方向及单木在垂直方向上的分布提取树高。【结果】１）对于多站拼接数据，即使在林分条件最为复杂的原始林，单木识别率仍可达到８１％；对于单站数据，随着扫描距离增加，单木识别率降低，实际操作时单站布设比多站拼接简单；２）多站拼接胸径及．．．
[期刊] 北京林业大学学报
[作者]
刘清旺 李增元 陈尔学 庞勇 武红敢
机载激光雷达是一种主动遥感技术。在林业应用方面,高采样密度激光雷达能够获取单株木三维结构特征,采用不同的数据处理方法,可以得到不同精度的单株木参数。该文利用高采样密度的机载激光雷达数据(离散回波,平均激光点间隔0.52 m、平均光斑直径0.3 m),研究了单株木的树高提取技术和树冠边界识别算法,针对单株木的树冠特征,提出了一种双正切角树冠识别算法;最后,使用重庆铁山坪林场的9个外业样地数据,对单株木树高和冠幅,以及样地平均树高和平均冠幅进行了验证。结果表明,单株木树高和冠幅的R2分别为0.34和0.03,样地平均树高和平均冠幅的R2分别为0.97和0.71,样地尺度的相关性明显高于单株木尺度的...
[期刊] 中南林业科技大学学报
[作者]
刘浩然 范伟伟 徐永胜 林文树
【目的】为提高森林单木生物量估测精度和效率,本研究基于无人机激光雷达技术对哈尔滨城市林业示范基地的水曲柳、樟子松样地进行点云数据获取及单木生物量估测。【方法】通过优化算法对获取的点云数据进行树高、冠幅等单木结构参数的提取;然后基于改进的凸包算法获取树冠体积、树冠投影面积等树冠因子。最后将上述获得的单木结构参数引入传统CAR生物量模型中,建立基于无人机激光雷达点云数据的单木生物量模型。【结果】1)基于点云数据提取的单木结构参数与实测数值间的相关性较好。其中水曲柳样地平均冠幅和树高值的决定系数R2分别为0.82和0.86,而樟子松样地平均冠幅和树高的决定系数R2分别为0.80和0.84。2)通过与国家林业局颁布的水曲柳、樟子松生物量异速生长方程进行对比得出,当引入树高、冠幅、树冠投影面积和树冠体积作为CAR模型参数时构建的生物量模型拟合效果最优,R2分别为0.83、0.79,相应的均方根误差RMSE分别为18.912和8.120 kg/株。通过最优生物量模型评价指标可以看出,两块样地生物量模型的总相对误差SRE分别为-0.541%和0.311%,平均相对误差MRE分别为0.014%和0.020%以内,而平均相对误差绝对值MARE分别为9.19%和6.95%。3)当引入树冠体积作为变量时,生物量模型的精度明显提高。相比于树高、冠幅作为变量的模型,树冠体积的引入使得水曲柳、樟子松生物量模型的R2分别提高了0.076和0.060,RMSE分别下降6.759和1.386 kg/株。【结论】本研究说明无人机激光雷达点云数据能够通过结合其提取的单木结构参数对森林单木生物量进行估测研究,并能取得较好的拟合优度和较高的预测精度。
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